В прошлом ученые разделяли все вещества в природе на условно неживые и живые, включая в число последних царство животных и растений. Вещества первой группы получили название минеральных. А те, что вошли во вторую, стали называть органическими веществами.
Что под этим подразумевается? Класс органических веществ наиболее обширный среди всех химических соединений, известных современным ученым. На вопрос, какие вещества органические, можно ответить так – это химические соединения, в состав которых входит углерод.
Обратите внимание, что не все углеродсодержащие соединения относятся к органическим. Например, корбиды и карбонаты, угольная кислота и цианиды, оксиды углерода не входят в их число.
Почему органических веществ так много?
Ответ на этот вопрос кроется в свойствах углерода. Этот элемент любопытен тем, что способен образовывать цепочки из своих атомов. И при этом углеродная связь очень стабильная.
Кроме того, в органических соединениях он проявляет высокую валентность (IV), т.е. способность образовывать химические связи с другими веществами. И не только одинарные, но также двойные и даже тройные (иначе – кратные). По мере возрастания кратности связи цепочка атомов становится короче, а стабильность связи повышается.
А еще углерод наделен способностью образовывать линейные, плоские и объемные структуры.
Именно поэтому органические вещества в природе так разнообразны. Вы легко проверите это сами: встаньте перед зеркалом и внимательно посмотрите на свое отражение. Каждый из нас – ходячее пособие по органической химии. Вдумайтесь: не меньше 30% массы каждой вашей клетки – это органические соединения. Белки, которые построили ваше тело. Углеводы, которые служат «топливом» и источником энергии. Жиры, которые хранят запасы энергии. Гормоны, которые управляют работой органов и даже вашим поведением. Ферменты, запускающие химические реакции внутри вас. И даже «исходный код», цепочки ДНК – все это органические соединения на основе углерода.
Состав органических веществ
Как мы уже говорили в самом начале, основной строительный материал для органических веществ – это углерод. И практические любые элементы, соединяясь с углеродом, могут образовывать органические соединения.
В природе чаще всего в составе органических веществ присутствуют водород, кислород, азот, сера и фосфор.
Строение органических веществ
Многообразие органических веществ на планете и разнообразие их строения можно объяснить характерными особенностями атомов углерода.
Вы помните, что атомы углерода способны образовывать очень прочные связи друг с другом, соединяясь в цепочки. В результате получаются устойчивые молекулы. То, как именно атомы углерода соединяются в цепь (располагаются зигзагом), является одной из ключевых особенностей ее строения. Углерод может объединяться как в открытые цепи, так и в замкнутые (циклические) цепочки.
Важно и то, что строение химических веществ прямо влияет на их химические свойства. Значительную роль играет и то, как атомы и группы атомов в молекуле влияют друг на друга.
Благодаря особенностям строения, счет однотипным соединениям углерода идет на десятки и сотни. Для примера можно рассмотреть водородные соединения углерода: метан, этан, пропан, бутан и т.п.
Например, метан – СН 4 . Такое соединение водорода с углеродом в нормальных условиях пребывает в газообразном агрегатном состоянии. Когда же в составе появляется кислород, образуется жидкость – метиловый спирт СН 3 ОН.
Не только вещества с разным качественным составом (как в примере выше) проявляют разные свойства, но и вещества одинакового качественного состава тоже на такое способны. Примером могут служить различная способность метана СН 4 и этилена С 2 Н 4 реагировать с бромом и хлором. Метан способен на такие реакции только при нагревании или под ультрафиолетом. А этилен реагирует даже без освещения и нагревания.
Рассмотрим и такой вариант: качественный состав химических соединений одинаков, количественный – отличается. Тогда и химические свойства соединений различны. Как в случае с ацетиленом С 2 Н 2 и бензолом С 6 Н 6 .
Не последнюю роль в этом многообразии играют такие свойства органических веществ, «завязанные» на их строении, как изомерия и гомология.
Представьте, что у вас есть два на первый взгляд идентичных вещества – одинаковый состав и одна и та же молекулярная формула, чтобы описать их. Но строение этих веществ принципиально различно, откуда вытекает и различие химических и физических свойств. К примеру, молекулярной формулой С 4 Н 10 можно записать два различных вещества: бутан и изобутан.
Речь идет об изомерах – соединениях, которые имеют одинаковый состав и молекулярную массу. Но атомы в их молекулах расположены в различном порядке (разветвленное и неразветвленное строение).
Что касается гомологии – это характеристика такой углеродной цепи, в которой каждый следующий член может быть получен прибавлением к предыдущему одной группы СН 2 . Каждый гомологический ряд можно выразить одной общей формулой. А зная формулу, несложно определить состав любого из членов ряда. Например, гомологи метана описываются формулой C n H 2n+2 .
По мере прибавления «гомологической разницы» СН 2 , усиливается связь между атомами вещества. Возьмем гомологический ряд метана: четыре первых его члена – газы (метан, этан, пропан, бутан), следующие шесть – жидкости (пентан, гексан, гептан, октан, нонан, декан), а дальше следуют вещества в твердом агрегатном состоянии (пентадекан, эйкозан и т.д.). И чем прочнее связь между атомами углерода, тем выше молекулярный вес, температуры кипения и плавления веществ.
Какие классы органических веществ существуют?
К органическим веществам биологического происхождения относятся:
- белки;
- углеводы;
- нуклеиновые кислоты;
- липиды.
Три первых пункта можно еще назвать биологическими полимерами.
Более подробная классификация органических химических веществ охватывает вещества не только биологического происхождения.
К углеводородам относятся:
- ациклические соединения:
- предельные углеводороды (алканы);
- непредельные углеводороды:
- алкены;
- алкины;
- алкадиены.
- циклические соединения:
- соединения карбоциклические:
- алициклические;
- ароматические.
- соединения гетероциклические.
- соединения карбоциклические:
Есть также иные классы органических соединений, в составе которых углерод соединяется с другими веществами, кроме водорода:
- спирты и фенолы;
- альдегиды и кетоны;
- карбоновые кислоты;
- сложные эфиры;
- липиды;
- углеводы:
- моносахариды;
- олигосахариды;
- полисахариды.
- мукополисахариды.
- амины;
- аминокислоты;
- белки;
- нуклеиновые кислоты.
Формулы органических веществ по классам
Примеры органических веществ
Как вы помните, в человеческом организме различного рода органические вещества – основа основ. Это наши ткани и жидкости, гормоны и пигменты, ферменты и АТФ, а также многое другое.
В телах людей и животных приоритет за белками и жирами (половина сухой массы клетки животных это белки). У растений (примерно 80% сухой массы клетки) – за углеводами, в первую очередь сложными – полисахаридами. В том числе за целлюлозой (без которой не было бы бумаги), крахмалом.
Давайте поговорим про некоторые из них подробнее.
Например, про углеводы . Если бы можно было взять и измерить массы всех органических веществ на планете, именно углеводы победили бы в этом соревновании.
Они служат в организме источником энергии, являются строительными материалами для клеток, а также осуществляют запас веществ. Растениям для этой цели служит крахмал, животным – гликоген.
Кроме того, углеводы очень разнообразны. Например, простые углеводы. Самые распространенные в природе моносахариды – это пентозы (в том числе входящая в состав ДНК дезоксирибоза) и гексозы (хорошо знакомая вам глюкоза).
Как из кирпичиков, на большой стройке природы выстраиваются из тысяч и тысяч моносахаридов полисахариды. Без них, точнее, без целлюлозы, крахмала, не было бы растений. Да и животным без гликогена, лактозы и хитина пришлось бы трудно.
Посмотрим внимательно и на белки . Природа самый великий мастер мозаик и пазлов: всего из 20 аминокислот в человеческом организме образуется 5 миллионов типов белков. На белках тоже лежит немало жизненно важных функций. Например, строительство, регуляция процессов в организме, свертывание крови (для этого существуют отдельные белки), движение, транспорт некоторых веществ в организме, они также являются источником энергии, в виде ферментов выступают катализатором реакций, обеспечивают защиту. В деле защиты организма от негативных внешних воздействий важную роль играют антитела. И если в тонкой настройке организма происходит разлад, антитела вместо уничтожения внешних врагов могут выступать агрессорами к собственным органам и тканям организма.
Белки также делятся на простые (протеины) и сложные (протеиды). И обладают присущими только им свойствами: денатурацией (разрушением, которое вы не раз замечали, когда варили яйцо вкрутую) и ренатурацией (это свойство нашло широкое применение в изготовлении антибиотиков, пищевых концентратов и др.).
Не обойдем вниманием и липиды (жиры). В нашем организме они служат запасным источником энергии. В качестве растворителей помогают протеканию биохимических реакций. Участвуют в строительстве организма – например, в формировании клеточных мембран.
И еще пару слов о таких любопытных органических соединениях, как гормоны . Они участвуют в биохимических реакциях и обмене веществ. Такие маленькие, гормоны делают мужчин мужчинами (тестостерон) и женщин женщинами (эстроген). Заставляют нас радоваться или печалиться (не последнюю роль в перепадах настроения играют гормоны щитовидной железы, а эндорфин дарит ощущение счастья). И даже определяют, «совы» мы или «жаворонки». Готовы вы учиться допоздна или предпочитаете встать пораньше и сделать домашнюю работу перед школой, решает не только ваш распорядок дня, но и некоторые гормоны надпочечников.
Заключение
Мир органических веществ по-настоящему удивительный. Достаточно углубиться в его изучение лишь немного, чтобы у вас захватило дух от ощущения родства со всем живым на Земле. Две ноги, четыре или корни вместо ног – всех нас объединяет волшебство химической лаборатории матушки-природы. Оно заставляет атомы углерода объединяться в цепочки, вступать в реакции и создавать тысячи таких разнообразных химических соединений.
Теперь у вас есть краткий путеводитель по органической химии. Конечно, здесь представлена далеко не вся возможная информация. Какие-то моменты вам, быть может, придется уточнить самостоятельно. Но вы всегда можете использовать намеченный нами маршрут для своих самостоятельных изысканий.
Вы также можете использовать приведенное в статье определение органического вещества, классификацию и общие формулы органических соединений и общие сведения о них, чтобы подготовиться к урокам химии в школе.
Расскажите нам в комментариях, какой раздел химии (органическая или неорганическая) нравится вам больше и почему. Не забудьте «расшарить» статью в социальных сетях, чтобы ваши одноклассники тоже смогли ею воспользоваться.
Пожалуйста, сообщите, если обнаружите в статье какую-то неточность или ошибку. Все мы люди и все мы иногда ошибаемся.
сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Органические соединения.
Органические вещества – важные и необходимые компоненты клетки, они являются поставщиками энергии, без которой невозможно проявление любой формы жизнедеятельности; они образуют структуры клетки.
Белки - полимеры аминокислот.
Существует 20 независимых аминокислот, входящих в белки.
Функции белков:
Строительная
Каталитическая
Сигнальная
Энергетическая
Защитная
Двигательная
Транспортная
Белки - обязательная составная часть всех клеток. В жизни всех организмов белки имеют первостепенное значение. В состав белка входят углерод, водород, азот, некоторые белки содержат еще и серу. Роль мономеров в белках играют аминокислоты. У каждой аминокислоты имеется карбоксильная группа (-СООН) и аминогруппа (-NH2). Наличие в одной молекуле кислотной и основной групп обусловливает их высокую реактивность. Между соединившимися аминокислотами возникает связь называемая пептидной, а образовавшееся соединение нескольких аминокислот называют пептидом. Соединение из большого числа аминокислот называют полипептидом. В белках встречаются 20 аминокислот, отличающихся друг от друга своим строением. Разные белки образуются в результате соединения аминокислот в разной последовательности. Огромное разнообразие живых существ в значительной степени определяется различиями в составе имеющихся у них белков.
В строении молекул белков различают четыре уровня организации:
Первичная структура - полипептидная цепь из аминокислот, связанных в определенной последовательности ковалентными (прочными) пептидными связями.
Вторичная структура - полипептидная цепь, закрученная в виде спирали. В ней между соседними витками возникают мало прочные водородные связи. В комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру.
Третичная структура представляет собой причудливую, но для каждого белка специфическую конфигурацию - глобулу. Она удерживается мало прочными гидрофобными связями или силами сцепления между неполярными радикалами, которые встречаются у многих аминокислот. Благодаря их многочисленности они обеспечивают достаточную устойчивость белковой макромолекулы и ее подвижность. Третичная структура белков поддерживается также ковалентными S-S-связями возникающими между удаленными друг от друга радикалами серосодержащей аминокислоты - цистеина.
Благодаря соединению нескольких молекул белков между собой образуется четвертичная структура. Если пептидные цепи уложены в виде клубка, то такие белки называются глобулярными. Если полипептидные цепи уложены в пучки нитей, они носят название фибриллярных белков.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией. Она может возникать под действием высокой температуры, химических веществ, радиации и т.д. Денатурация может быть обратимой (частичное нарушение четвертичной структуры) и необратимой (разрушение всех структур).
Функции белков:
1. каталитическая (ферментативная) - расщепление питательных веществ в пищеварительном тракте, фиксация углерода при фотосинтезе, участие в реакциях матричного синтеза;
2. транспортная - транспорт ионов через клеточные мембраны, транспорт кислорода и углекислого газа гемоглобином, транспорт жирных кислот сывороточным альбумином;
3. защитная - антитела, обеспечивающие иммунную защиту организма; фибриноген и фибрин защищают организм от кровопотерь;
4. структурная - кератин волос и ногтей, коллаген хрящей, сухожилий, соединительных тканей;
5. сократительная- сократимые белки мышц: актин и миозин;
6. рецепторная - примером могут служить фитохром - светочувствительный белок, регулирующий фотопериодическую реакцию в растениях, и опсин - составная часть родопсина - пигмента, находящегося в клетках сетчатки глаза.
Химический состав клетки
В земной коре встречается около 100 химических элементов, но только 16 из них необходимы для жизни. Наиболее распространены в живых организмах четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот (на их долю приходится около 98% массы клеток. Важные функции в клетке выполняют такие элементы, как натрий, кальций, хлор, фосфор, сера, железо, магний. На их долю приходится около 1% массы клетки – это макроэлементы . Остальные элементы, такие как цинк, медь, йод, фтор содержатся в живых организмах в очень малых количествах (не более 0,02%) и относятся к группе микроэлементов.
Все химические элементы в организме находятся в виде ионов или входят в состав неорганических или органических веществ.
Неорганические вещества
Из неорганических соединений больше всего в организме находится воды – от 60 до 95% общей массы (содержание воды зависит от типа клеток: в клетках эмали зубов около 10%, а в клетках медузы до 98%) . В среднем, в клетках многоклеточного организма вода составляет около 80% массы тела.
Вода является хорошим растворителем и большинство химических реакций в клетке протекает между растворенными в воде веществами. Проникновение веществ в клетку и выведение продуктов метаболизма возможно только в растворенном виде.
Большая часть неорганических веществ в клетке находится в виде ионов или солей. Важнейшее значение в жизнедеятельности клетки имеют такие ионы как К + , Na + , Са 2+ . Нерастворимые минеральные соли, например соли кальция и кремния, обеспечивают прочность костной ткани позвоночных и раковин моллюсков.
Органические вещества
Органические вещества составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры, а также целый ряд небольших молекул – гормонов, витаминов, пигментов, аминокислот, АТФ и др.
Белки
Белки составляют 50-80% сухой массы клетки. Несмотря на свое разнообразие, все белки построены всего из 20 различных аминокислот.
По своему составу белки делятся на простые и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот. Сложные белки помимо аминокислот имеют в своем составе другие органические соединения: белки содержащие нуклеиновые кислоты называются нуклеопротеиды, липиды – липопротеиды, углеводы – гликопротеиды
Функции белков:
1. Строительная функция: белки входят в состав всех клеточных мембран и органоидов клетки.
2. Каталитическая (ферментативная) функция: практически все химические реакции, протекающие в клетке, катализируются ферментами. По своей природе все ферменты являются белками и, таким образом, именно белки определяют течение всех химических реакций, необходимых для существования организма.
3. Двигательная функция живых организмов обеспечивается специальными сократительными белками (мерцание ресничек, биение жгутиков, сокращение мышц).
4. Транспортная функция белков заключается в переносе химических элементов или биологически активных веществ к различным тканям и органам (белки переносчики обеспечивают перенос необходимых клетке веществ через мембрану, гемоглобин переносит кислород с током крови по всему организму).
5. Защитная функция белков заключается в связывании и обезвреживании чужеродных организму веществ. Например, при поступлении в организм чужеродных веществ или микроорганизмов белые кровяные тельца (лейкоциты) образуют специальные белки – антитела, способные к обезвреживанию чужеродных агентов.
6. Энергетическая функция: белки служат источником энергии в клетке. При расщеплении 1 г белка выделяется 17,6 кДж энергии, необходимой для большинства жизненно важных процессов, протекающих в клетке.
7. Регуляторная функция: некоторые гормоны имеют белковую природу (инсулин, тироксин). Гормоны оказывают влияние на обмен веществ в организме, развитие тканей и органов. На клеточном уровне многие процессы регулируются специальными регуляторными белками.
8. Токсическая функция: биологические яды (токсины), имеют белковую природу. Токсины вырабатываются некоторыми микроорганизмами, растениями и животными (змеиный яд, дифтерийный токсин).
Углеводы
Углеводы построены всего из трех элементов – О, С, Н.
В животных клетках углеводы составляют всего 1-5%, тогда как в растительных их содержание может достигать 90% сухой массы (клубни картофеля).
Углеводы подразделяются на простые и сложные. Простые углеводы называются моносахаридами . Если в одной молекуле объединяются два моносахарида, то такое соединение называют дисахаридом . К дисахаридам относится сахар, состоящий из двух молекул – глюкозы и фруктозы. Сложные углеводы, образованные многими моносахаридами, называются полисахаридами. Мономером таких полисахаридов как крахмал, гликоген, целлюлоза, является моносахарид – глюкоза.
Функции углеводов:
1. Строительная. Например, целлюлоза образует стенки растительных клеток, сложный полисахарид хитин – структурный компонент наружного скелета членистоногих.
2. Энергетическая. Углеводы играют роль основного источника энергии в клетке (при окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии). Такие полисахариды как крахмал и гликоген откладываются в клетках в качестве запасных веществ и служат энергетическим резервом.
| Общая функция | Углевод | Функция углевода |
| Энергетическая | Глюкоза | Служит источником энергии для клеточного дыхания. |
| Мальтоза | Служит источником энергии в прорастающих семенах. | |
| Сахароза | Основной продукт фотосинтеза в растениях (источник энергии). | |
| Фруктоза | Обеспечивает энергией многие биологические процессы, протекающие в организме. | |
| Структурная (пластическая) | Целлюлоза | Обеспечивает устойчивость оболочек растительных клеток. |
| Хитин | Обеспечивает прочность покровных структур грибов и членистоногих. | |
| Рибоза и дезоксирибоза | Являются структурными элементами нуклеиновых кислот ДНК, РНК. | |
| Защитная | Гепарин | Препятствует свертыванию крови в животных клетках. |
| Камедь и слизь | У растений образуются при повреждении тканей, выполняют защитную функцию. | |
| Запасающая | Лактоза | Входит в состав молока млекопитающих. |
| Крахмал | Образует запасные вещества в тканях растений. | |
| Гликоген | Образует запас полисахаридов в животных клетках. |
Липиды
Липиды (жиры) – это соединения высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жиры не растворяются в воде – они гидрофобны. Содержание жиров в клетке составляет 5-15% от массы сухого вещества (в клетках жировой ткани до 90%).
К молекулам липидов могут присоединяться функциональные группировки: остатки фосфорной кислоты (фосфолипиды), углеводы (гликолипиды), белки (липопротеиды). Вещества близкие по свойствам к липидам, но не содержащие жирных кислот, называют липоидами. К ним относятся стероиды (входят в состав желчи, выполняют функции половых гормонов) и терпены (входят в состав эфирных масел растений, хлорофилла и др.).
Функции липидов:
1. Строительная функция: липиды являются основой клеточных мембран (75-95% из них составляют фосфолипиды).
2. Энергетическая функция: накапливаясь в клетках жировой ткани животных, в семенах и плодах растений, жиры служат запасным источником энергии. При расщеплении 1 г жира освобождается 38,9 кДж.
3. Запасающая функция (в пустыне для многих животных жиры – источник воды: при окислении 100 г жира выделяется 107 г воды).
4. Функция терморегуляции. Жир обладает плохой теплопроводностью. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани и защищает организм от переохлаждения.
5. Регуляторная функция: некоторые липиды принимают участие в регуляции обменных процессов (витамины, предшественники гормонов).
Биология Лекция 4-5
Строение клетки
Все живые существа состоят из клеток, либо являются одноклеточными организмами. Слово «клетка» - это перевод с латинского слова cellula (клетка, комната). Термин ввел Р. Гук для обозначения ячеек, которые он наблюдал под микроскопом в срезе пробки. Лишь позднее клетками стали называть живое содержимое таких ячеек.
Клетка – это элементарная структурная и функциональная единица живых организмов, потому, что в природе нет более мелких систем, которым были бы присущи все без исключения признаки живого:
· Обмен веществ
· Рост, развитие
· Воспроизведение себе подобных
· Реагирование на внешние воздействия (раздражимость)
· Способность к движению
Таким образом, клетка является низшей ступенью организации живой материи.
К началу 19 в. представления о клеточном строении получили широкое распространение и признание. В 30-х годах 19 в. Роберт Броун – шотландский ученый обнаружил в растительных клетках ядро. Затем ядра были обнаружены и в других клетках. Сопоставление наблюдений за растительными и животными клетками обнаружило сходство в их строении и организации. В это же время были сформулированы основные положения клеточной теории.
В настоящее время положения клеточной тео рии формулируются так:
1. Клетка является основной структурной и функциональной единицей жизни. Все организмы состоят из клеток, жизнь организма обусловлена взаимодействием составляющих его клеток.
2. Клетки всех организмов сходны по своему химическому составу, строению и функциям
3. Все новые клетки образуются путем деления исходных клеток.
4. Все клетки состоят из 3-х основных частей:
· Клеточная мембрана
· Цитоплазма
· Клеточное ядро или его функциональный аналог.
Существуют два основных типа клеточного строения, которые отличаются друг от друга рядом фундаментальных признаков. Это прокариотические и эукариотические клетки.
Микроорганизмы, имеющие истинное ядро называются эукариоты. К ним относят микроскопические грибы, дрожжи, водоросли и простейшие. Микроорганизмы, не имеющие четко выраженного ядра, называются прокариотами. К ним относятся бактерии и сине-зеленые водоросли (цианобактерии).
Живая клетка любого организма состоит из органических компонентов на 25–30%.
К органическим составляющим относятся как полимеры, так и сравнительно некрупные молекулы – пигменты, гормоны, АТФ и пр.
Клетки живых организмов различаются между собой по структуре, функциям и по своему биохимическому составу. Однако каждая группа органических веществ имеет сходное определение в курсе биологии и выполняет одни и те же функции в любом типе клеток. Основные составляющие компоненты - это жиры, белки, углеводы и нуклеиновые кислоты.
Вконтакте
Липиды
Липидами называются жиры и жироподобные вещества . Эта биохимическая группа отличается хорошей растворимостью в органических веществах, но при этом нерастворима в воде.
Жиры могут иметь твёрдую или жидкую консистенцию. Первая более характерна для животных жиров, вторая – для растительных.
Функции жиров заключаются в следующем:
Углеводы
Углеводы – это органические мономерные и полимерные вещества, которые в своём составе содержат углерод, водород и кислород. При их расщеплении клетка получает значительное количество энергии.
По химическому составу различают следующие классы углеводов:
По сравнению с животными клетками , растительные содержат в своём составе большее количество углеводов. Это объясняется способностью растительных клеток воспроизводить углеводы в процессе фотосинтеза .
Основными функциями углеводов в живой клетке являются энергетическая и структурная.
Энергетическая функция углеводов сводится к накоплению запасов энергии и высвобождению их по мере необходимости. Растительные клетки накапливают в вегетационный период крахмал, который откладывается в клубнях и луковицах. В организмах животных такую роль выполняет полисахарид гликоген, который синтезируется и накапливается в печени.
Структурную функцию углевод выполняют в растительных клетках. Практически вся клеточная стенка растений состоит из полисахарида целлюлозы.
Белки
Белки – органические полимерные вещества
, которые занимают ведущее место как по количеству в живой клетке, так и по своему значению в биологии. Вся сухая масса животной клетки состоит из белка примерно наполовину. Этот класс органических соединений отличается поразительным многообразием. Только в организме человека насчитывается около 5 млн различных белков. Они не только отличаются между собой, но и имеют различия с белками других организмов. И все это колоссальное многообразие белковых молекул строится всего из 20 разновидностей аминокислот.
Если на белок воздействуют термические или химические факторы, в молекулах происходит разрушение водородных и бисульфидных связей. Это приводит к денатурации белка и изменению структуры и функций клеточной мембраны.
Все белки можно условно разделить на два класса: глобулярные (к ним относятся ферменты, гормоны и антитела), и фибриллярные – коллаген, эластин, кератин.
Функции белка в живой клетке:
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты имеют важное значение в структуре и правильном функционировании клеток. Химическое строение этих веществ таково, что позволяет сохранять и передавать по наследству информацию о белковой структуре клеток. Эта информация передаётся дочерним клеткам и на каждом этапе их развития формируется определённый вид белков.
Поскольку подавляющее большинство структурных и функциональных особенностей клетки обусловлено их белковой составляющей, очень важна стабильность, которой отличаются нуклеиновые кислоты. В свою очередь, от стабильности структуры и функций отдельных клеток зависит развитие и состояние организма в целом.
Различают две разновидности нуклеиновых кислот – рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК).
ДНК представляет собой полимерную молекулу, которая состоит из пары спиралей нуклеотидов . Каждый мономер молекулы ДНК представлен в виде нуклеотида. В состав нуклеотидов входят азотистые основания (аденин, цитозин, тимин, гуанин), углевод (дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты.
Все азотистые основания соединяются между собой строго определённым образом. Аденин всегда располагается всегда против тимина, а гуанин – против цитозина. Такое избирательное соединение называется комплементарностью и играет очень важное значение в формировании структуры белка.
Все соседние нуклеотиды между собой связываются остатком фосфорной кислоты и дезоксирибозой.
Рибонуклеиновая кислота имеет большое сходство с дезоксирибонуклеиновой. Различие заключается в том, что вместо тимина в структуре молекулы присутствует азотистое основание урацил. Вместо дезоксирибозы это соединение содержит углевод рибозу.
Все нуклеотиды в цепочке РНК соединяются через фосфорный остаток и рибозу.
По своей структуре РНК может быть одно- и двухцепочечным . У ряда вирусов двухцепочечные РНК выполняют функции хромосом – они являются носителями генетической информации. С помощью одноцепочечной РНК происходит перенос информации о составе белковой молекулы.
Органические соединения составляют в среднем 20-30% массы клетки живого организма. К ним относятся биологические полимеры - белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул - гормонов, пигментов, АТФ и многие другие.
В различные типы клеток входит неодинаковое количество органических соединений. В растительных клетках преобладают сложные углеводы - полисахариды, в животных - больше белков и жиров. Тем не менее, каждая из групп органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.
Липиды - так называют жиры и жироподобные вещества (липоиды). Относящиеся сюда вещества характеризуются растворимостью в органических растворителях и нерастворимостью (относительной) в воде.
Различают растительные жиры, имеющие при комнатной температуре жидкую консистенцию, и животные - твердую.
Функции липидов:
Структурная - фосфолипиды входят в состав клеточных мембран;
Запасающая - жиры накапливаются в клетках позвоночных животных;
Энергетическая - треть энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления жиров, которые используются и как источник воды;
Защитная - подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений;
Теплоизоляционная - подкожный жир помогает сохранить тепло;
Электроизоляционная - миелин, выделяемый клетками Шванна, изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов;
Питательная - желчные кислоты и витамин D образуются из стероидов;
Смазывающая - воски покрывают кожу, шерсть, перья животных и предохраняют их от воды; восковым налетом покрыты листья многих растений; воск используется пчелами в строительстве сот;
Гормональная - гормон надпочечников - кортизон и половые гормоны имеют липидную природу, их молекулы не содержат жирных кислот.
При расщеплении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии.
Углеводы
В состав углеводов входят углерод, водород и кислород. Различают следующие углеводы. При расщеплении 1 г вещества выделяется 17,6 кДж энергии.
Моносахариды , или простые углеводы, которые в зависимости от содержания атомов углерода имеют названия триозы, пентозы, гексозы и т. д. Пентозы - рибоза и дезоксирибоза - входят в состав ДНК и РНК. Гексоза – глюкоза - служит основным источником энергии в клетке.
Полисахариды - полимеры, мономерами которых служат моносахариды гексозы. Наиболее известными из дисахаридов (два мономера) являются сахароза и лактоза. Важнейшими полисахаридами являются крахмал и гликоген, служащие запасными веществами клеток растений и животных, а также целлюлоза - важнейший структурный компонент растительных клеток.
Растения обладают большим разнообразием углеводов, чем животные, так как способны синтезировать их на свету в процессе фотосинтеза. Важнейшие функции углеводов в клетке: энергетическая, структурная и запасающая.
Энергетическая роль состоит в том, что углеводы служат источником энергии в растительных и животных клетках; структурная - клеточная стенка у растений почти полностью состоит из полисахарида целлюлозы; запасающая - крахмал служит запасным продуктом растений. Он накапливается в процессе фотосинтеза в вегетационный период и у ряда растений откладывается в клубнях, луковицах и т. д. В животных клетках эту роль выполняет гликоген, откладывающийся преимущественно в печени.
Белки
Среди органических веществ клетки белки занимают первое место, как по количеству, так и по значению. У животных на них приходится около 50% сухой массы клетки. В организме человека встречается около 5 млн. типов белковых молекул, отличающихся не только друг от друга, но и от белков других организмов. Несмотря на такое разнообразие и сложность строения, белки построены всего из 20 различных аминокислот. Часть белков, входящих в состав клеток органов и тканей, а также аминокислоты, поступившие в организм, но не использованные в синтезе белка, подвергаются распаду с освобождением 17,6 кДж энергии на 1 г вещества.
Белки выполняют в организме много разнообразных функций: строительную (входят в состав различных структурных образований); защитную (специальные белки - антитела - способны связывать и обезвреживать микроорганизмы и чужеродные белки) и др. Кроме этого, белки участвуют в свертывании крови, предотвращая сильные кровотечения, выполняют регуляторную, сигнальную, двигательную, энергетическую, транспортную функции (перенесение некоторых веществ в организме).
Исключительно важное значение имеет каталитическая функция белков. Термин «катализ» означает «развязывание», «освобождение». Вещества, относимые к катализаторам, ускоряют химические превращения, причем состав самих катализаторов после реакции остается таким же, каким был до реакции.
Ферменты
Все ферменты, выполняющие роль катализаторов, - вещества белковой природы, они ускоряют химические реакции, протекающие в клетке, в десятки и сотни тысяч раз. Каталитическую активность фермента обусловливает не вся его молекула, а только небольшой ее участок - активный центр, действие которого очень специфично. В одной молекуле фермента может быть несколько активных центров.
Одни молекулы ферментов могут состоять только из белка (например, пепсин) - однокомпонентные, или простые; другие содержат два компонента: белок (апофермент) и небольшую органическую молекулу - кофермент. Установлено, что в качестве коферментов в клетке функционируют витамины. Если учесть, что ни одна реакция в клетке не может осуществляться без участия ферментов, становится очевидным то важнейшее значение, которое имеют витамины для нормальной жизнедеятельности клетки и всего организма. Отсутствие витаминов снижает активность тех ферментов, в состав которых они входят.
Активность ферментов находится в прямой зависимости от действия целого ряда факторов: температуры, кислотности (pH среды), а также от концентрации молекул субстрата (вещества, на которое они действуют), самих ферментов и коферментов (витаминов и других веществ, входящих в состав коферментов).
Стимулировать или угнетать тот или иной ферментативный процесс может действие различных биологически активных веществ, как-то: гормоны, лекарственные препараты, стимуляторы роста растений, отравляющие вещества и др.
Витамины
Витамины - биологически активные низкомолекулярные органические вещества - участвуют в обмене веществ и преобразовании энергии в большинстве случаев как компоненты ферментов.
Суточная потребность человека в витаминах составляет миллиграммы, и даже микрограммы. Известно более 20 различных витаминов.
Источником витаминов для человека являются продукты питания, в основном растительного происхождения, в некоторых случаях - и животного (витамин D, A). Некоторые витамины синтезируются в организме человека.
Недостаток витаминов вызывает заболевание - гиповитаминоз, полное их отсутствие - авитаминоз, а излишек - гипервитаминоз.
Гормоны
Гормоны - вещества, вырабатываемые железами внутренней секреции и некоторыми нервными клетками - нейрогормонами. Гормоны способны включаться в биохимические реакции, регулируя процессы метаболизма (обмена веществ и энергии).
Характерными особенностями гормонов являются:1)высокая биологическая активность;2)высокая специфичность (гормональные сигналы в «клетки-мишени»);3)дистанционность действия (перенос гормонов кровью на расстояние к клеткам-мишеням);4)относительно небольшое время существования в организме (несколько минут или часов).
Нуклеиновые кислоты
Существует 2 типа нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая) и РНК (рибонуклеиновая кислота).
АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трех молекул фосфорной кислоты.
Структура неустойчива, под влиянием ферментов переходит в АДФ – аденозиндифосфорную кислоту (отщепляется одна молекула фосфорной кислоты) с выделением 40 кДж энергии. АТФ - единый источник энергии для всех клеточных реакций.
Особенности химического строения нуклеиновых кислот обеспечивают возможность хранения, переноса и передачи по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой ткани на определенном этане индивидуального развития.
Нуклеиновые кислоты обеспечивают устойчивое сохранение наследственной информации и контролируют образование соответствующих им белков-ферментов, а белки-ферменты определяют основные особенности обмена веществ клетки.
